تعريف شدة الصوت:
في غابة هادئة، يمكنك أحيانًا سماع سقوط ورقة واحدة على الأرض، بعد أن تستقر على الأرض، قد تسمع دماءك تنبض في أذنيك، ولكن عندما يتم تشغيل جهاز الإستريو الخاص بسائق سيارة يمر، لا يمكنك حتى سماع ما يقوله الشخص بجانبك في سيارتك، نحن جميعًا على دراية بجهارة الأصوات وندرك أنّها مرتبطة بمدى نشاط اهتزاز المصدر.
في الرسوم الكرتونية التي تصور شخصًا يصرخ أو حيوانًا يُصدر ضوضاء عالية، غالبًا ما يُظهر رسام الكاريكاتير فمًا مفتوحًا بلهاة تهتز، وهي الأنسجة المعلقة في مؤخرة الفم، للإشارة إلى صوت مرتفع قادم من الحلق، يعد التعرض للضوضاء العالية خطرًا على السمع، ومن الشائع أن يعاني الموسيقيون من ضعف في السمع يكون شديدًا لدرجة أنه يتعارض مع قدرات الموسيقيين على الأداء، الكمية المادية ذات الصلة هي شدة الصوت، وهو مفهوم صالح لجميع الأصوات سواء كانت في النطاق المسموع أم لا.
تعريف الكثافة – Intensity:
يتم تعريف الكثافة على أنّها القوة لكل وحدة مساحة محمولة بواسطة الموجة، القوة هي المعدل الذي تنقل به الموجة الطاقة، في شكل معادلة، الكثافة (I) يعبر عنها كالتالي:
I = P/A
حيث: (P) هي القدرة عبر منطقة (A)، وحدة (SI) لـ (I) هي (W/m2)، ترتبط شدة الموجة الصوتية بمربع اتساعها بالعلاقة التالية:
I =(Δp)2/2ρvw
هنا (Δp) هو تغير الضغط أو سعة الضغط “نصف الفرق بين الضغط الأقصى والأدنى في الموجة الصوتية“، بوحدات باسكال (Pa) أو (N/m2)، “نحن نستخدم الحالة الصغيرة من (p) للضغط لتمييزها عن القدرة، المشار إليها بواسطة (P)”، الطاقة “كطاقة حركية” :
mv2/2
لعنصر متذبذب من الهواء بسبب موجة صوتية متنقلة يتناسب مع مربع اتساعها، في هذه المعادلة، (ρ) هي كثافة المادة التي تنتقل فيها الموجة الصوتية، بوحدات (kg/m3)، و(vw) هي سرعة الصوت في الوسط، بوحدات (m / s)، يتناسب تباين الضغط مع سعة التذبذب، ولذا فأن (I) أختلف كـ ((Δp)2)، تتوافق هذه العلاقة مع حقيقة أنّ الموجة الصوتية تنتج عن بعض الاهتزازات؛ كلما زادت سعة ضغطه، زاد ضغط الهواء في الصوت الذي يصدره.
تعريف مستوى شدة الصوت:
يتم تحديد مستويات شدة الصوت بالديسيبل (dB) في كثير من الأحيان أكثر من شدة الصوت “بالواط لكل متر مربع”، الديسيبل هي الوحدة المفضلة في الكتب العلمية وكذلك في وسائل الإعلام المتداولة، ترتبط أسباب هذا الاختيار للوحدات بكيفية إدراكنا للأصوات، يمكن وصف كيفية إدراك آذاننا للصوت بشكل أكثر دقة من خلال لوغاريتم الشدة بدلاً من الشدة مباشرة، مستوى شدة الصوت (β) بالديسيبل لصوت له شدة (I) بالواط لكل متر مربع يعرف بأنّه:
β(dB)=10 log10(I/I0)
حيث: تمثل (I0 = 10−12 W/m2) الكثافة المرجعية، على وجه الخصوص، (I0) هو أدنى شدة أو عتبة للصوت يمكن لأي شخص ذو سمع طبيعي أن يدركه بتردد (1000) هرتز، مستوى شدة الصوت يختلف عن الشدة، نظرًا لأنّ (β) مُعرَّفة من حيث النسبة، فهي كمية ليس لها وحدة تخبرك بمستوى الصوت بالنسبة لمعيار ثابت (10−12 W/m2) في هذه الحالة، تُستخدم وحدات الديسيبل (dB) للإشارة إلى أنّ هذه النسبة مضروبة في (10) في تعريفها، تمّ تسمية بيل، الذي يعتمد عليه الديسيبل، على اسم “ألكسندر جراهام بيل”، مخترع الهاتف.
شرح مستوى شدة الصوت:
مستوى ديسيبل الصوت الذي تبلغ شدته (10−12 W/m2) هو (β = 0 dB)، لأنّ (log101 = 0)، أي أنّ عتبة السمع هي (0) ديسيبل، من أكثر الأشياء المدهشة حول الشدة هي أنّ الشدة بالواط لكل متر مربع صغيرة جدًا بالنسبة لمعظم الأصوات، الأذن حساسة لما لا يقل عن تريليون واط لكل متر مربع، والأكثر إثارة للإعجاب عندما تدرك أنّ مساحة طبلة الأذن لا تزيد عن (1 cm2)، بحيث يقع عليها (10–16 W) فقط عند بداية السمع ! تهتز جزيئات الهواء في موجة صوتية بهذه الشدة على مسافة أقل من قطر جزيئي واحد، وتكون ضغوط المقياس المعنية أقل من (10–9 atm) ضغط جوي.
ميزة أخرى مثيرة للإعجاب للأصوات، وهي مداها العددي، تختلف شدة الصوت بعامل (1012) من عتبة الصوت إلى الصوت الذي يسبب الضرر في ثوانٍ، أنت غير مدرك لهذا النطاق الهائل في شدة الصوت لأنّ كيفية استجابة أذنيك يمكن وصفها تقريبًا على أنّها لوغاريتم الشدة، وبالتالي، فإنّ مستويات شدة الصوت بالديسيبل تناسب تجربتك بشكل أفضل من شدة الصوت بالواط لكل متر مربع، من السهل أيضًا ربط مقياس الديسيبل لأنّ معظم الناس اعتادوا التعامل مع أرقام مثل (0) أو (53) أو (120) أكثر من التعامل مع الأرقام مثل (1.00 × 10–11).
كل عامل (10) في الشدة يتوافق مع (10) ديسيبل، على سبيل المثال، الصوت (90) ديسيبل مقارنة بصوت (60) ديسيبل أكبر بمقدار (30) ديسيبل، أو ثلاثة عوامل من (10) أي (103 times) أقوى، مثال آخر هو أنّه إذا كانت شدة صوت واحد تساوي (107) مثل صوت آخر، فإنّه يكون أعلى بمقدار (70) ديسيبل.
ما المقصود بمستوى ضغط الصوت؟
وتجدر الإشارة إلى وجود مقياس ديسيبل آخر قيد الاستخدام، يسمّى “مستوى ضغط الصوت” (sound pressure level)، بناءً على نسبة سعة الضغط إلى الضغط المرجعي، يستخدم هذا المقياس بشكل خاص في التطبيقات التي ينتقل فيها الصوت في الماء، يعتبر معالجة هذا المقياس خارج نطاق معظم النصوص التمهيدية لأنّه لا يستخدم بشكل شائع للأصوات في الهواء.
ولكن من المهم ملاحظة أنّه قد يتم مواجهة مستويات ديسيبل مختلفة جدًا عند نقل مستويات ضغط الصوت، على سبيل المثال، قد يصل تلوث ضوضاء المحيط الناتج عن السفن إلى (200) ديسيبل معبرًا عنه في مستوى ضغط الصوت، حيث يكون مستوى شدة الصوت الأكثر شيوعًا الذي نستخدمه هنا أقل من (140) ديسيبل لنفس الصوت.
